Wanneer fotonen naar een zwart gat razen, worden de meeste de diepte in gezogen, om nooit meer terug te keren, of zachtjes afgebogen. Een paar zeldzame keren echter om het gat heen en maken een reeks abrupte U-bochten. Sommige van deze fotonen blijven praktisch voor altijd rond het zwarte gat cirkelen.
Beschreven door astrofysici als een "kosmische filmcamera" en een "oneindige lichtval", is de resulterende ring van in een baan om de aarde draaiende fotonen een van de vreemdste verschijnselen in de natuur. Als je de fotonen detecteert, "ga je elk object in het universum oneindig vaak zien", zei Sam Grala, een natuurkundige aan de Universiteit van Arizona.
Maar in tegenstelling tot de iconische waarnemingshorizon van een zwart gat - de grens waarbinnen de zwaartekracht zo sterk is dat niets kan ontsnappen - heeft de fotonenring, die om het verder weg gelegen gat draait, nooit veel aandacht gekregen van theoretici. Het is logisch dat onderzoekers bezig zijn geweest met de waarnemingshorizon, omdat dit de rand van hun kennis over het universum markeert. Door het grootste deel van de kosmos volgt de zwaartekracht met krommen in ruimte en tijd, zoals beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Maar de ruimtetijd vervormt zo veel in zwarte gaten dat de algemene relativiteitstheorie daar instort. Kwantumzwaartekrachttheoretici die op zoek zijn naar een waarheidsgetrouwere, kwantumbeschrijving van zwaartekracht, hebben daarom naar de horizon gekeken voor antwoorden.
"Ik was van mening dat de gebeurtenishorizon was wat we moesten begrijpen," zei Andreas Strominger, een vooraanstaand theoreticus van het zwarte gat en de kwantumzwaartekracht aan de Harvard University. "En ik dacht aan de fotonenring als een soort technisch, gecompliceerd ding dat geen diepe betekenis had."
Nu maakt Strominger zijn eigen U-bocht en probeert hij andere theoretici ervan te overtuigen zich bij hem aan te sluiten. "We onderzoeken opgewonden de mogelijkheid dat de fotonenring het ding is dat je moet begrijpen om de geheimen van Kerr-zwarte gaten te ontrafelen", zei hij, verwijzend naar het soort draaiende zwarte gaten dat ontstaat wanneer sterren sterven en door de zwaartekracht instorten. . (De fotonenring vormt zich gelijktijdig.)
In een krant online geplaatst in mei en recentelijk geaccepteerd voor publicatie in Klassieke kwantumzwaartekracht, onthulden Strominger en zijn medewerkers dat de fotonenring rond een ronddraaiend zwart gat een onverwacht soort symmetrie heeft - een manier waarop het kan worden getransformeerd en toch hetzelfde kan blijven. De symmetrie suggereert dat de ring informatie over de kwantumstructuur van het gat kan coderen. "Deze symmetrie ruikt naar iets dat te maken heeft met het centrale probleem van het begrijpen van de kwantumdynamiek van zwarte gaten," zei hij. De ontdekking heeft ertoe geleid dat onderzoekers hebben gedebatteerd over de vraag of de fotonenring zelfs deel uitmaakt van de "holografische dual" van een zwart gat - een kwantumsysteem dat precies gelijk is aan het zwarte gat zelf, en waarvan kan worden gedacht dat het zwarte gat eruit komt een hologram.
"Het opent een zeer interessante weg om de holografie van deze [zwarte gat] geometrieën te begrijpen," zei Alex Maloney, een theoreticus aan de McGill University in Canada die niet betrokken was bij het onderzoek. "De nieuwe symmetrie organiseert de structuur van zwarte gaten ver van de waarnemingshorizon, en dat vind ik heel spannend."
Er is veel meer theoretisch onderzoek nodig voordat onderzoekers met zekerheid kunnen zeggen of, en op welke manier, de fotonenring codeert voor de inhoud van een zwart gat. Maar op zijn minst zeggen theoretici dat het nieuwe artikel een nauwkeurige test heeft uitgewerkt voor elk kwantumsysteem dat beweert de holografische dualiteit van het zwarte gat te zijn. "Het is een doelwit voor een holografische beschrijving," zei Juan Maldacena van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, een van de oorspronkelijke architecten van holografie.
Verscholen in de Fotonenring
Een deel van de opwinding over de fotonenring is dat hij, in tegenstelling tot de waarnemingshorizon, echt zichtbaar is. Strominger's U-bocht naar deze ringen gebeurde in feite vanwege een foto: de allereerste afbeelding van een zwart gat. Toen de Event Horizon Telescope (EHT) het in 2019 onthulde, "huiverde ik", zei hij. "Het is ongelooflijk mooi."
Opgetogenheid sloeg al snel om in verwarring. Het zwarte gat in de afbeelding had een dikke ring van licht eromheen, maar natuurkundigen van het EHT-team wisten niet of dit licht het product was van de chaotische omgeving van het gat, of dat het de fotonring van het zwarte gat bevatte. Ze gingen naar Strominger en zijn theoretici-collega's voor hulp bij het interpreteren van het beeld. Samen doorzochten ze de enorme databank met computersimulaties die het EHT-team gebruikte om de fysieke processen te ontrafelen die licht rond zwarte gaten produceren. In deze gesimuleerde afbeeldingen konden ze de dunne, heldere ring zien ingebed in de grotere, vager oranje lichtdonut.
"Als je naar alle simulaties kijkt, kun je het niet missen," zei Shahar Hadar van de Universiteit van Haifa in Israël, die op Harvard samenwerkte met Strominger en de EHT-natuurkundigen aan het onderzoek. De vorming van de fotonenring lijkt een "universeel effect" te zijn dat rond alle zwarte gaten plaatsvindt, zei Hadar.
In tegenstelling tot de maalstroom van energetische botsende deeltjes en velden die zwarte gaten omringen, hebben de theoretici vastgesteld, draagt de scherpe lijn van de fotonenring directe informatie over de eigenschappen van het zwarte gat, inclusief de massa en hoeveelheid spin. "Het is absoluut de mooiste en meest boeiende manier om het zwarte gat echt te zien", zei Strominger.
De samenwerking van astronomen, simulatoren en theoretici ontdekte dat de werkelijke foto van de EHT, die het zwarte gat in het centrum van het nabijgelegen sterrenstelsel Messier 87 laat zien, niet scherp genoeg is om de fotonenring op te lossen, hoewel het niet ver weg is. Ze maakten ruzie in een 2020-papier dat toekomstige telescopen met een hogere resolutie gemakkelijk fotonringen zouden moeten kunnen zien. (EEN nieuw papier beweert de ring te hebben gevonden in de afbeelding van de EHT van 2019 door een algoritme toe te passen om lagen uit de originele gegevens te verwijderen, maar de claim is met scepsis ontvangen.)
Toch begonnen Strominger en zijn collega's, na zo lang naar fotonenringen te staren in de simulaties, zich af te vragen of hun vorm op een nog diepere betekenis zinspeelde.
Een verrassende symmetrie
Fotonen die een enkele U-bocht rond een zwart gat maken en vervolgens in de richting van de aarde flitsen, lijken voor ons als een enkele ring van licht. Fotonen die twee U-bochten rond het gat maken, verschijnen als een zwakkere, dunnere subring in de eerste ring. En fotonen die drie U-bochten maken, verschijnen als een subring binnen die subring, enzovoort, waardoor geneste ringen ontstaan, de ene zwakker en dunner dan de andere.
Het licht van de binnenste subringen heeft meer banen gemaakt en werd daarom eerder opgevangen dan het licht van de buitenste subringen, wat resulteerde in een reeks tijdvertraagde snapshots van het omringende universum. "Samen zijn de subringen verwant aan de frames van een film en leggen ze de geschiedenis vast van het zichtbare universum zoals gezien vanuit het zwarte gat", schreef de samenwerking in de 2020-paper.
Strominger zei dat toen hij en zijn medewerkers naar de EHT-foto's keken, “we dachten: 'Hé, er is een oneindig aantal kopieën van het universum op dat scherm? Zou dat niet kunnen zijn waar de holografische dualiteit leeft?'”
De onderzoekers realiseerden zich dat de concentrische structuur van de ring doet denken aan een groep symmetrieën die conforme symmetrie wordt genoemd. Een systeem met conforme symmetrie vertoont "schaalinvariantie", wat betekent dat het er hetzelfde uitziet wanneer u in- of uitzoomt. In dit geval is elke foton-subring een exacte, verkleinde kopie van de vorige subring. Bovendien blijft een conform symmetrisch systeem hetzelfde wanneer het vooruit of achteruit in de tijd wordt vertaald en wanneer alle ruimtelijke coördinaten worden omgekeerd, verschoven en vervolgens weer omgekeerd.
Strominger kwam in de jaren negentig conforme symmetrie tegen toen het opdook in een speciaal soort vijfdimensionaal zwart gat dat hij aan het bestuderen was. Door de details van deze symmetrie precies te begrijpen, Cumrun Vafa vond een Nieuwe manier om de algemene relativiteitstheorie te verbinden met de kwantumwereld, in ieder geval binnen dit extreme soort zwarte gaten. Ze stelden zich voor het zwarte gat uit te snijden en de waarnemingshorizon te vervangen door wat ze een holografische plaat noemden, een oppervlak met een kwantumsysteem van deeltjes die conforme symmetrie respecteren. Ze toonden aan dat de eigenschappen van het systeem overeenkomen met eigenschappen van het zwarte gat, alsof het zwarte gat een hogerdimensionaal hologram is van het conforme kwantumsysteem. Op deze manier bouwden ze een brug tussen de beschrijving van een zwart gat volgens de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanische beschrijving ervan.
In 1997 breidde Maldacena ditzelfde holografische principe uit naar een heel speelgoeduniversum. Hij ontdekte een “universum in een fles”, waarin een conform symmetrisch kwantumsysteem dat op het oppervlak van de fles leeft, precies in kaart wordt gebracht op eigenschappen van ruimte-tijd en zwaartekracht in het binnenste van de fles. Het was alsof het interieur een "universum" was dat als een hologram uit zijn lager-dimensionale oppervlak werd geprojecteerd.
De ontdekking bracht veel theoretici ertoe te geloven dat het echte universum een hologram is. Het probleem is dat Maldacena's universum in een fles anders is dan het onze. Het is gevuld met een soort ruimte-tijd die negatief gekromd is, wat het een oppervlakte-achtige buitengrens geeft. Men denkt dat ons universum plat is, en theoretici hebben geen idee hoe de holografische dualiteit van platte ruimte-tijd eruitziet. "We moeten terug naar de echte wereld, terwijl we inspiratie putten uit wat we hebben geleerd van deze hypothetische werelden," zei Strominger.
En dus besloot de groep een realistisch ronddraaiend zwart gat in platte ruimte-tijd te bestuderen, zoals die gefotografeerd door de Event Horizon Telescope. “De eerste vragen die je moet stellen zijn: waar leeft het holografische dualisme? En wat zijn de symmetrieën?” zei Hadar.
Op zoek naar de holografische dual
Historisch gezien is conforme symmetrie een betrouwbare gids gebleken bij het zoeken naar kwantumsystemen die holografisch in kaart worden gebracht op systemen met zwaartekracht. "Conforme symmetrie en zwart gat in dezelfde zin zeggen tegen een kwantumzwaartekrachttheoreticus is als zwaaien met rood vlees voor een hond", zei Strominger.
Uitgaande van de beschrijving van ronddraaiende zwarte gaten in de algemene relativiteitstheorie, de Kerr-metriek genaamd, begon de groep te zoeken naar hints van conforme symmetrie. Ze stelden zich voor dat ze met een hamer op het zwarte gat zouden slaan om het als een bel te laten rinkelen. Deze langzaam afnemende trillingen zijn als de zwaartekrachtsgolven die ontstaan wanneer bijvoorbeeld twee zwarte gaten botsen. Het zwarte gat zal rinkelen met enkele resonantiefrequenties die afhankelijk zijn van de vorm van de ruimte-tijd (dat wil zeggen, van de Kerr-metriek), net zoals de beltonen van een bel afhangen van zijn vorm.
Het exacte patroon van trillingen achterhalen is niet haalbaar omdat de Kerr-metriek zo ingewikkeld is. Dus het team benaderde het patroon door alleen hoogfrequente trillingen in overweging te nemen, die het gevolg zijn van het heel hard raken van het zwarte gat. Ze merkten een verband op tussen het patroon van golven bij deze hoge energieën en de structuur van de fotonringen van het zwarte gat. Het patroon "blijkt volledig te worden bepaald door de fotonenring", zei Alex Lupsasca van het Vanderbilt Initiative for Gravity, Waves and Fluids in Tennessee, die samen met Strominger, Hadar en Daniel Kapec van Harvard het nieuwe artikel schreef.
Een cruciaal moment kwam in de zomer van 2020 tijdens de Covid-19-pandemie. Schoolborden en banken stonden opgesteld op het gras buiten het natuurkundelab van Jefferson van Harvard, en de onderzoekers konden elkaar eindelijk persoonlijk ontmoeten. Ze kwamen erachter dat, net als de conforme symmetrie die elke fotonenring relateert aan de volgende subring, de opeenvolgende tonen van een rinkelend zwart gat aan elkaar gerelateerd zijn door conforme symmetrie. Deze relatie tussen de fotonenringen en de trillingen van het zwarte gat zou een "voorbode" van holografie kunnen zijn, zei Strominger.
Een andere aanwijzing dat de fotonenring een speciale betekenis kan hebben, komt van de contra-intuïtieve manier waarop de ring zich verhoudt tot de geometrie van het zwarte gat. 'Het is heel, heel raar,' zei Hadar. "Terwijl je langs verschillende punten op de fotonenring beweegt, onderzoek je eigenlijk verschillende stralen" of diepten in het zwarte gat.
Deze bevindingen impliceren voor Strominger dat de fotonenring, in plaats van de waarnemingshorizon, een "natuurlijke kandidaat" is voor een deel van de holografische plaat van een ronddraaiend zwart gat.
Als dat zo is, kan er een nieuwe manier zijn om een beeld te vormen van wat er gebeurt met informatie over objecten die in zwarte gaten vallen - een al lang bestaand mysterie dat bekend staat als de informatieparadox van het zwarte gat. Recente berekeningen geven aan dat deze informatie op de een of andere manier door het universum wordt bewaard terwijl een zwart gat langzaam verdampt. Strominger speculeert nu dat de informatie zou kunnen worden opgeslagen in de holografische plaat. "Misschien valt informatie niet echt in het zwarte gat, maar blijft het in een wolk rond buiten het zwarte gat, die zich waarschijnlijk uitstrekt tot aan de fotonenring," zei hij. "Maar we begrijpen niet hoe het daar is gecodeerd, of hoe dat precies werkt."
Een oproep aan theoretici
Het vermoeden van Strominger en zijn bedrijf dat het holografische dualisme in of rond de fotonenring leeft, is sceptisch ontvangen door sommige kwantumzwaartekrachttheoretici, die het als een te gewaagde extrapolatie van de conforme symmetrie van de ring beschouwen. “Waar de holografische dualiteit leeft is een veel diepere vraag dan: wat is de symmetrie?” gezegd Daniël Harlow, een theoreticus van kwantumzwaartekracht en zwarte gaten aan het Massachusetts Institute of Technology. Hoewel hij voorstander is van verder onderzoek naar deze kwestie, benadrukt Harlow dat een overtuigende holografische dualiteit in dit geval moet laten zien hoe de eigenschappen van de fotonenring, zoals de banen en frequenties van individuele fotonen, wiskundig in kaart worden gebracht op de fijnkorrelige kwantumdetails van het zwarte gat.
Desalniettemin zeiden verschillende experts dat het nieuwe onderzoek een bruikbare naald biedt die elke voorgestelde holografische dual moet rijgen: de dual moet in staat zijn om het ongebruikelijke vibratiepatroon van een draaiend zwart gat te coderen nadat het als een bel is geraakt. "Het eisen van het kwantumsysteem dat het zwarte gat beschrijft en al die complexiteit reproduceert, is een ongelooflijk krachtige beperking - en een die we nog nooit eerder hebben geprobeerd uit te buiten", zei Strominger. Eva Zilverstein, een theoretisch fysicus aan de Stanford University, zei: "Het lijkt een heel mooi stukje theoretische gegevens voor mensen om te proberen te reproduceren wanneer ze een holografische dubbele beschrijving proberen."
Maldacena was het daarmee eens en zei: “Men zou graag willen begrijpen hoe dit in een holografische dualiteit kan worden opgenomen. Het zal dus waarschijnlijk enig onderzoek in die richting stimuleren.”
Maloney vermoedt dat de hernieuwde symmetrie van de fotonenring de belangstelling van zowel theoretici als waarnemers zal wekken. Als de gehoopte upgrades van de Event Horizon Telescope worden gefinancierd, kan deze binnen een paar jaar beginnen met het detecteren van fotonenringen.
Toekomstige metingen van deze ringen zullen echter niet direct de holografie testen - in plaats daarvan zullen de gegevens extreme tests van de algemene relativiteitstheorie in de buurt van zwarte gaten mogelijk maken. Het is aan theoretici om met pen-en-papier berekeningen te bepalen of de structuur van de oneindige lichtvallen rond zwarte gaten de geheimen binnenin wiskundig kan versleutelen.
